CÉGEP DE SHERBROOKE

DÉPARTEMENT DE PHYSIQUE

SESSION HIVER 2008

PLAN DE COURS

MÉCANIQUE 203-NYA-05

(3-2-3)

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Tiré de Trucs-en-vrac de Gotlib, Dargaud ed. 1977.

Programme : Sciences de la nature

Professeur :
Martin Aubé, bureau 2-57-170
Courriel : martin.aube@cegepsherbrooke.qc.ca
Téléphone : 819-563-6450 poste 6232

www.cegepsherbrooke.qc.ca/~aubema/

Table des matières

Notes préliminaires

Le programme Sciences de la nature au collégial a pour objectif de donner à l’étudiant ou à l’étudiante une formation équilibrée, intégrant les composantes de base d’une formation scientifique et d’une formation générale rigoureuses et les rendant aptes à poursuivre des études universitaires en sciences pures, en sciences appliquées ou en sciences de la santé.

Les cours de physique jouent un rôle important dans le programme Sciences de la nature étant donné que cette science s’intéresse aux propriétés de la matière et à ses interactions. Les sujets qu’elle étudie couvrent un large éventail allant de la composition du noyau atomique jusqu’à la constitution de l’univers. Les principes, lois et modèles élaborés en physique trouvent des applications dans plusieurs secteurs d’activités, que ce soit en génie, en chimie, en biologie, en médecine, en physiologie, en géologie, en météorologie, en finances, dans le perfectionnement des sports, en architecture, en musique, etc.

Il y a trois cours de physique dans le programme. Le cours Mécanique est le premier de la série. Le cours Électricité et magnétisme ainsi que le cours Ondes, optique et physique moderne le suivront.

Dans ce premier cours, l’étudiant abordera les grands principes de la physique classique. Il apprendra notamment à analyser le mouvement des particules et des corps rigides à partir des lois et principes de la mécanique. De plus, l’étudiant sera appelé à amorcer ou poursuivre le développement d’habiletés comme travailler en équipe, raisonner avec rigueur, appliquer la démarche scientifique, résoudre des problèmes de façon systématique, utiliser des technologies appropriées de traitement de l’information, communiquer de façon claire et précise, apprendre de façon autonome, adopter des attitudes utiles au travail scientifique et traiter des situations nouvelles à partir de ses acquis. L’étudiant sera aussi à l'occasion amené à établir des liens entre la science, la technologie et l’évolution de la société, à situer le contexte d’émergence et d’élaboration des concepts scientifiques et à poursuivre le développement de son système de valeurs.

Il est à noter que le cours Calcul différentiel (201-NYA-05) est un préalable relatif au cours Mécanique. De son côté, le cours Mécanique est un préalable absolu aux cours Électricité et magnétisme (203-NYB-05) et Ondes, optique et physique moderne (203-NYC-05).

Texte ministériel

Le Ministère de l’éducation prescrit certaines assises à l’élaboration du programme et des cours du programme de Sciences de la nature. Le tableau suivant présente les bases associées au cours Mécanique. Il est à noter que les quelques éléments du contenu précédés d’un tiret sont des ajouts ou précisions locales propres au Cégep de Sherbrooke.

Énoncé de la compétence :

Analyser différentes situations et phénomènes physiques à partir des principes fondamentaux reliés à la mécanique classique

Éléments de la compétence	Critères de performance	Contenu – activités d’apprentissage
-Décrire le mouvement de translation et de rotation des corps. -Appliquer les concepts et les lois de la dynamique à l’analyse du mouvement des corps. -Effectuer des calculs de travail et d’énergie dans des situations simples. -Appliquer les principes de conservation de la mécanique. -Vérifier expérimentalement quelques lois et principes reliés à la mécanique.	-Utilisation appropriée des concepts, des lois et des principes. -Schématisation adéquate des situations physiques. -Utilisation d’une terminologie appropriée. -Représentation graphique et mathématique adaptée à la nature du mouvement. -Justification des étapes retenues pour l’analyse des situations. -Application rigoureuse des lois de Newton et des principes de conservation. -Jugement critique des résultats. -Interprétation des limites des modèles. -Expérimentation minutieuse. -Présence des éléments constituants d’un rapport de laboratoire selon les normes établies.	-Quantités physiques scalaires et vectorielles : unités et dimensions. -Cinématique des différents mouvements de rotation et de translation : position, déplacement, vitesse linéaire et angulaire, accélération. -Force, dynamique de translation et de rotation. -Équilibre de translation et de rotation. -Loi de la gravitation universelle. -Énergie et travail mécanique. -Principes de conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement. -Notion de centre de masse. -Utilisation d’un chiffrier électronique et d’un tableur. Production par ordinateur de graphiques scientifiques. -Utilisation d’un système d’acquisition de données.

Approche pédagogique

La matière sera présentée sous forme d'ateliers interactifs et parfois par des exposés magistraux selon les besoins. Les ateliers interactifs seront généralement amorcés par le biais de situations-problèmes. Durant les situations-problèmes, vous serez amenés à intégrer un certain nombre de concepts pour arriver à une solution. Ces situations-problèmes seront dans la mesure du possible inspirées de phénomènes que vous pouvez observer dans la vie de tous les jours ou que vous pourrez reproduire et étudier en laboratoire avec des moyens modestes. Elles feront éventuellement appel à un éventail de compétences expérimentales (mesures sur le terrain), théoriques, méthodologiques (p.ex. recherche d'information valable sur le www). Par cette démarche d'intégration de concepts vous serez graduellement conduits à développer une certaine acuité à remarquer et analyser des phénomènes souvent très familiers auxquels vous n'aurez peut-être jamais porté d'attention particulière auparavant. Je souhaite que vous puissiez développer votre sens de l'observation, développer votre capacité à transférer vos apprentissages, développer votre créativité tout en intégrant une approche d'analyse rigoureuse propre à la méthode scientifique. Au cours des exposés magistraux, qui seront essentiellement l'occasion de faire des exemples de résolution de problèmes, il vous sera recommandé de prendre des notes. Le volume de référence permettra de donner une version différente et souvent complémentaire de celle proposée par le professeur afin de favoriser une meilleure intégration des concepts pour tous (la lecture du volume sera nécessaire). Parallèlement au volume vous pourrez consulter un manuel en ligne que je suis en train de rediger.

(http://cegepsherbrooke.qc.ca/~aubema/index.php?n=Publication.PrefaceMecanique)

Pour chaque thème abordé en classe, vous connaîtrez les sections pertinentes du volume. Un guide d'étude comprenant la liste des exercices suggérés est accessible sur le site web du cours. Ces exercices visent l'intégration des concepts théoriques un à un. Des exercices intégrateurs sont aussi proposés sur le site web. Ces derniers font intervenir plus d'un concept à la fois, ils vous permettront de vous préparer aux examens. Des périodes d'exercices se tiendront durant les heures de cours. Par son étude, l'étudiant doit s'assurer de dégager et intégrer ces concepts pour pouvoir les identifier par lui-même dans des situations différentes. Les problèmes d'examen seront tirés de situations de la vie de tous les jours dans la mesure du possible.

Des petites démonstrations expérimentales seront régulièrement insérées durant les heures de classe afin de favoriser la compréhension et afin d'augmenter l'intérêt face à aux concepts étudiés.

Un certain nombre de documents relatifs au cours seront disponibles via le World Wide Web sur un wiki dédié à mes cours et accessible à partir du site du département (via ma page personnelle).

http://www.cegepsherbrooke.qc.ca/~aubema

Les documents pourront donc être consultés en ligne (dans le respect de l'environnement) ou imprimés à l'aide d'un navigateur WEB. Le wiki sera un lieu d'échange, de travail collaboratif, de gestion du temps, de diffusion et un espace favorisant l'évaluation formative et certificatives des compétences visées par le cours. Vous aurez à y inscrire votre adresse de courriel pour faciliter l'échange de l'information dans le groupe et avec le professeur. Cet outil occupera une place fondamentale dans le déroulement du cours. À ce titre vous serez tenus de le consulter au moins une fois par semaine.

Laboratoires projets:

Les équipes de laboratoire seront constituées de quatre étudiants. Les équipes seront formées par le biais d'un processus visant à regrouper les personnes selon leur intérêt face à l'un ou l'autre des sujets de projet de session proposés par le professeur. Dès la première semaine de cours, vous devrez inscrire vos préférences sur la page ci-dessous.

http://cegepsherbrooke.qc.ca/~aubema/index.php?n=APPWiki.H08Cours1ChoixProjet

Les heures de laboratoire seront consacrées à la résolution de situations-problèmes qui seront abordés selon une pédagogie par projet.

Liste des projets qui seront proposés:

Mesure de la masse d'une automobile (2 semaines)
Projet de session: Résolution numérique d'un système complexe (7 semaines sur 12 semaines)
Une course « dynamique » (5 semaines)

Pour ces projets vous devrez déterminer par vous-même la démarche expérimentale optimale à utiliser de façon à répondre le mieux possible à la situation-problème. Cela implique la mise au point du protocole expérimental, la fabrication du montage expérimental et le choix de la méthodologie de réduction et d'analyse des résultats. Vous pourrez utiliser les matériaux disponibles au laboratoire de physique mais si vous jugez nécessaire de compléter avec d'autres matériaux vous pourrez vous les procurer vous-mêmes. La récupération de matériaux usagés devrait être valorisée.

Comme il s'agit de projets originaux, vous devez vous attendre à commettre quelques erreurs qui vous forceront à revoir et améliorer votre démarche en cours de route. À la fin du projet, vous devrez présenter un rapport incluant le cadre théorique, le cadre expérimental, une analyse et discussion de vos résultats sans oublier l'introduction, la conclusion et la médiagraphie. Ce rapport devra être conforme au guide de rédaction de Boisclair et Pagé.

Évaluation

Évaluation formative

Chaque situation-problème sera l’occasion pour l’enseignant d’effectuer des observations et de transmettre, de façon orale ou par écrit via le wiki ou par courriel, des commentaires à l’étudiant. Ces observations et commentaires porteront autant sur l’utilisation adéquate et la compréhension des concepts et connaissances que sur les méthodes de travail, les stratégies employées, les attitudes et les comportements. Cette rétroaction continuelle de la part de l’enseignant permettra aux étudiants d’ajuster leurs attitudes, leurs stratégies et leur compréhension en cours de route. Vous êtes tenus de consulter votre espace d'équipe sur le wiki au moins une fois par semaine. Vous devrez maintenir un journal de bord à même le wiki ou vous consignerez vos remarques et notes en lien avec vos apprentissages. Vous pourrez aussi utiliser une liste de tâches sur le wiki pour faciliter la gestion de votre travail d'équipe. L'utilisation du wiki constitue une innovation pédagogiques, et par le fait même nous devrons laisser place à certains ajustements possibles de ce système en cours de route.

Évaluation sommative

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L'évaluation sommative se fera sur la base de quatre habiletés fondamentales au cours. Chaque activité d'évaluation impliquera l'évaluation d'une ou plusieurs des quatre habiletés selon une pondération propre à chaque activité. Voici la liste des habiletés ainsi que les attentes du professeur face à leur maitrise par l'étudiant. Le système de notation de l'habileté est aussi indiqué dans un second tableau.

Tableau des habiletés et attentes face à l'étudiant

Habiletés	Attentes
1. Reconnaître et adapter les concepts, lois et principes appropriés à la situation.	- L’étudiant reconnaît un ensemble complet de concepts permettant de traiter la situation. - L’étudiant adapte ces concepts à la situation de façon pertinente et cohérente. - L’étudiant fait référence de façon explicite aux concepts.
2. Modéliser et traiter, théoriquement ou expérimentalement, de façon adéquate, juste et rigoureuse.	- L’étudiant modélise de façon pertinente la situation avec une modélisation suffisamment raffinée pour répondre aux besoins de la situation. - L’étudiant choisit des méthodes et des outils pertinents pour traiter la situation et justifie les choix effectués. - L’étudiant fait part de sa modélisation et de son traitement dans une démarche explicite, rigoureuse, structurée et cohérente. - La démarche présentée par l’étudiant est juste et exacte. - L’étudiant démontre un bon niveau d’appropriation de l’ensemble de la démarche.
3. Juger et critiquer les méthodes, la démarche et les conclusions et reconnaître leurs limites.	- L’étudiant interprète les résultats de manière adéquate et intègre. - L’étudiant est en mesure de faire une critique de la démarche et des résultats et montre un certain niveau de conscience de l’implication des limites ou des choix sur le dénouement. - L’étudiant a recours de manière adéquate aux résultats et graphiques comme élément de preuve. - L’étudiant est en mesure d’avoir une certaine prospective sur des éventualités futures concernant le problème.
4. Communiquer de manière efficace, juste et appropriée.	- L’étudiant fait preuve de concision, de clarté et de fluidité. - L’étudiant emploie une terminologie appropriée. - L’étudiant a recours à une langue écrite ou parlée de bonne qualité. - L’étudiant est en mesure de communiquer un travail à l’aide d’une présentation de qualité et qui respecte les normes établies.

Système de notation

Niveau	Description	Note
Optimal	Ne nécessite pratiquement aucune amélioration	5
Opérationnel	Nécessite une légère amélioration	4
Suffisant	Nécessite une grande amélioration	3
Insuffisant	Nécessite une trop grande amélioration pour être suffisant	0 - 2

Pondération des activités d'évaluation en fonction des habiletés:

Évaluation	Pourcentage de la note de session	Fraction habileté 1	Fraction habileté 2	Fraction habileté 3	Fraction habileté 4
Examen 1 (5e semaine)	10%	0.3	0.7	0	0
Examen 2 (13e semaine)	25 %	0.3	0.7	0	0
Test éclair (15e semaine)	5%	0.3	0.7	0	0
Examen oral (16e semaine)	15%	0.4	0.25	0.25	0.1
Analyse de film	5%	0.7	0	0	0.3
Projet 1: Masse d'une automobile	8%	0.1	0.35	0.3	0.25
Projet 2: Modélisation d'un système complexe	15%	0.1	0.35	0.3	0.25
Projet 3: Course dynamique	12%	0.1	0.35	0.3	0.25
Contribution au journal de bord	5%	-	-	-	-

Considérations spécifiques à certaines évaluations

En cas de difficulté de travail au sein de l'équipe de laboratoire, vous aurez à compléter une fiche de coévaluation. Chacun des membre de l'équipe aura à établir le niveau de travail (sur une échelle de 0 à 10) que ses coéquipiers et lui même ont respectivement investis dans le laboratoire. Ces fiches devront être remises par écrit au professeur simultanément à la remise du rapport. L'évaluation des rapports s'appui sur la grille d'évaluation ci-dessus sur la base des quatre habiletés. Le résultat final pourra être modulé légèrement en fonction de l'originalité/créativité, et de l'esprit d'initiative manifestés tout au long du projet.
Le premier examen écrit d'une durée de 1 heure portera sur le comportement ondulatoire et se tiendra dès la 5^e semaine de cours. Le deuxième examen écrit d'une durée de 2 heures sera récapitulatif et se tiendra à la 13^e semaine. Ces examens feront appel à votre compréhension des phénomènes physiques concernés. Ils seront composés de problèmes originaux (différents de ceux fait en exercices) et appliqués à la vie de tous les jours. Généralement, ils seront relativement faciles d'un point de vue mathématique. Toutefois, ceux et celles qui n'auront pas fait suffisamment d'exercices et d'étude auront sans doute de la difficulté à identifier le phénomène physique impliqué dans le problème. Vous aurez droit à une feuille recto manuscrite aide mémoire. La correction portera principalement sur la démarche plutôt que la réponse.
L' examen oral, est composé de questions de compréhension. Vous disposerez de toute la session pour faire le tour de ces questions. Vous aurez alors à vous présenter individuellement pour répondre à deux questions parmis quatre sélectionnées au hasard. Aucune documentation ne sera permise lors de l'évaluation. La durée maximale de l'examen oral est de 8 minutes.
La rédaction des rapports doit obligatoirement être faite en ligne sur le Wiki du cours (http://www.cegepsherbrooke.qc.ca/~aubema). Les étudiants devront voir à ce que la présentation soit soignée et bien synthétisée car les rapports pourront être accessibles aux internautes du monde entiers. Des images pourront être insérées au rapport pour servir la clarté du travail.
À chaque chapitre vous disposerez d'une série d'exercices. Vers la 15^e semaine, je vous soumettrai un test éclair sans préavis au cours duquel vous aurez à répondre à une des questions faite en exercice (aucune note permise). La durée du test éclair sera déterminée de façon à ce que ceux qui auront fait les exercices soient favorisés.

Rétroaction sur le cours:

Une rétroaction sur le déroulement du cours peut se faire à tout moment au cours de la session, si les étudiants ou le professeur en sentent le besoin. Vos suggestions et commentaires sont importants pour l’enseignant et pour l’évolution du cours. Ils devraient être faits sur le wiki dans la section réservée à la rétroaction.

http://cegepsherbrooke.qc.ca/~aubema/index.php?n=APPWiki.H08Cours03Retro

Le mot de passe pour pouvoir éditer cette page sera inscrit dans votre espace de travail d'équipe sur le wiki.

Politiques départementales:

La présence aux laboratoires et aux examens est obligatoire. Toute absence non motivée entraîne automatiquement la note zéro. Une absence devra être justifiée par une raison sérieuse dans les plus brefs délais, avec preuve à l’appui.
En cas de retard dans la remise d’un travail, une pénalité de 10% par jour de retard sera appliquée, à moins d’entente contraire préalable.
Lorsque l’enseignant remet une appréciation ou une évaluation à un étudiant, cet étudiant peut demander des clarifications ou précisions sur l’évaluation. Si toutefois l’étudiant juge que l’évaluation n’est pas conforme à son niveau d’atteinte de la compétence, il doit immédiatement demander une rencontre avec son enseignant afin de réexaminer plus en profondeur le processus d’évaluation. Si après cette rencontre, l’étudiant se sent toujours lésé, il dispose d’un délai maximal de trois jours de classe pour faire une revendication écrite auprès de la coordination départementale.

Médiagraphie:

Volumes de base:

OBLIGATOIRE BENSON, Harris, Physique 1 : Mécanique, 3e édition, ERPI, 2004
BOISCLAIR, Gilles et PAGÉ, Jocelyne, Guide des sciences expérimentales, 3e édition, ERPI, 2004
Utilisation de l’ordinateur dans la rédaction des rapports de laboratoire, Département de physique

Volumes de référence:

GIANCOLI, Douglas C., Physique générale, volume 1, 1993 [QC21.2.G53614 1993 v.1 1]
HALLIDAY, David, RESNICK, Robert et Jearl WALKER , Physique 1 : Mécanique, Chenelière/McGraw-Hill, 2004

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